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精密陶瓷: 打開半導體設備千億美元市場的金鑰匙!


來源:中國粉體網(wǎng)   空青

[導讀]  在半導體制造設備中,,精密陶瓷零部件的成本可達10%左右,。

中國粉體網(wǎng)訊  半導體設備的升級迭代,很大程度上有賴于精密零部件的關鍵技術突破,。精密零部件不僅是半導體設備制造中難度較大,、技術含量較高的環(huán)節(jié)之一,,也是國內(nèi)半導體設備“卡脖子”的環(huán)節(jié)之一,,也支撐著整個半導體芯片制造和現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè),。

 


來源:Pixabay

 

據(jù)國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)公布的數(shù)據(jù),2022年全球半導體制造設備銷售金額達1076億美元,,較2021年1026億美元成長5%,創(chuàng)歷史新高,。而就在半導體制造設備中,,精密陶瓷零部件的成本可達10%左右,近幾年,,隨著國家政策的調(diào)整,,半導體行業(yè)迅速發(fā)展,產(chǎn)業(yè)規(guī)模急速增大,,半導體制造設備持續(xù)向精密化,、復雜化演變,高精密陶瓷關鍵部件的技術要求也越來越高,。


硅基陶瓷精密部件


對于芯片制造來講,,光刻是一個必不可少的環(huán)節(jié),可以說,,沒有光刻機,,就沒有現(xiàn)代芯片產(chǎn)業(yè)。在集成電路制造過程中,,光刻工藝的費用約占制造成本的1/3 左右,,耗費時間占比約為40-50%,。光刻工藝所需的光刻機是最重要、最復雜,、最昂貴的集成電路制造裝備,,被譽為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”。


碳化硅陶瓷具有優(yōu)良的常溫力學性能 (如高強度,、高硬度,、高彈性模量等)、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性 (如高導熱系數(shù),、低熱膨脹系數(shù)等) 以及良好的比剛度和光學加工性能,,特別適合用于制備光刻機等集成電路裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件,如用于光刻機中的精密運動工件臺,、骨架,、吸盤、水冷板以及精密測量反射鏡,、光柵等陶瓷結(jié)構(gòu)件等,。


中國建筑材料科學研究總院制備的光刻機用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件


在制備光刻機等集成電路關鍵裝備用碳化硅陶瓷精密結(jié)構(gòu)件時,還存在著諸多的技術難點和挑戰(zhàn),,比如如何實現(xiàn)中空,、閉孔結(jié)構(gòu),以達到高度輕量化,、高模態(tài)的目標,;如何獲得顯微結(jié)構(gòu)均勻、性能穩(wěn)定的材料,;如何實現(xiàn)大尺寸,、復雜形狀結(jié)構(gòu)的陶瓷部件的快速制備等。


目前IC制造裝備用高端碳化硅陶瓷零部件70%被Kyocera,、CoorsTek兩家公司壟斷,,剩余部分也被歐美日企業(yè)所占據(jù)。Kyocera和CoorsTek產(chǎn)品的特點是種類齊全,、市場覆蓋面廣,,以半導體用陶瓷組件為例,CoorsTek提供的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件涵蓋了光刻機專用組件,、等離子刻蝕設備專用組件,、PVD/CVD專用組件、離子注入設備專用組件,、晶片吸附固定傳輸專用組件等一系列產(chǎn)品,;Kyocera則提供光刻機、晶圓制造設備,、刻蝕機,、沉積設備(CVD,、PVD)、液晶面板(LCD)制造裝備等專用的陶瓷零部件,。


在國內(nèi),,中國建筑材料科學研究總院率先開展了極大規(guī)模集成電路制造裝備用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件的制備工藝研究,攻克了以光刻機為代表的集成電路制造關鍵裝備用大尺寸,、中空薄壁,、復雜結(jié)構(gòu)、精密碳化硅結(jié)構(gòu)件制備的技術難關,,形成一系列自主知識產(chǎn)權的專利技術,,制備出了諸如碳化硅真空吸盤、導軌,、反射鏡,、工件臺等一系列光刻機用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件,滿足了光刻機等集成電路制造關鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件的使用要求,,推動了我國集成電路關鍵裝備的獨立自主健康發(fā)展,。


氮化硅(Si3N4)是斷裂韌性高、耐熱沖擊性強,、高耐磨耗性,、高機械強度、耐腐蝕的材料,�,?蓱糜诎雽w設備的平臺、軸承等部件,。


鋁基陶瓷零部件


在半導體刻蝕設備中,,主要采用高純Al2O3涂層或Al2O3陶瓷作為刻蝕腔體和腔體內(nèi)部件的防護材料。除了腔體以外,,等離子體設備的氣體噴嘴,氣體分配盤和固定晶圓的固定環(huán)等也需用到氧化鋁陶瓷,。


CMP是半導體制程中的關鍵技術,,伴隨制程節(jié)點的不斷突破,CMP已成為0.35μm及以下制程不可或缺的平坦化工藝,,關乎著后續(xù)工藝良率,。由于CMP設備的作業(yè)原理,設備的拋光臺,、拋光板,、搬運臂、真空吸盤等關鍵耗材也會因為長期摩擦和腐蝕而導致?lián)p耗,。氧化鋁陶瓷具備致密質(zhì),、高硬度,、高耐磨性的物理性質(zhì),以及良好的耐熱性能,、優(yōu)良的機械強度,,高溫環(huán)境仍具有良好的絕緣性、良好的抗腐蝕性等物理性能,,是用于制作CMP設備關鍵耗材的絕佳材料,。


CMP工作原理示意圖


靜電吸盤廣泛應用于集成電路制造工藝中,特別是刻蝕,、PVD,、CVD等核心工藝中。靜電吸盤按照主體材料材質(zhì)劃分,,可分為氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷(一般應用于靜電吸盤加熱器)兩大類,。但氧化鋁材料熱導率及相關機械性能均不及氮化鋁陶瓷,在半導體加工中,,對硅片的溫度控制相當重要,,如果無法保證硅片表面的均溫,則在對硅片的加工過程中將無法確保加工的均勻性,,加工精度將受到極大的影響,,因此行業(yè)內(nèi)目前均以氮化鋁陶瓷作為靜電吸盤的最優(yōu)制造材料。


陶瓷劈刀


在半導體封裝環(huán)節(jié)中,,“引線鍵合”是用來實現(xiàn)芯片和基板的電路連接的主要方式,。在這個工序中,陶瓷劈刀是引線鍵合過程中的必不可少的工具,。由于一臺鍵合機在滿荷載的工作狀態(tài)下每天需要鍵合幾百萬個焊點,,陶瓷劈刀作為鍵合機中的焊接針頭,一臺鍵合機平均每天就要消耗0.7只陶瓷劈刀,。



目前,,陶瓷劈刀的主要制造材料為氧化鋁,部分廠家在氧化鋁的基礎上添加了氧化鋯,,其微觀結(jié)構(gòu)更加均勻而致密,,密度提高到4.3g/cm3,可以減少焊線過程中陶瓷劈刀尖端的磨損和更換的次數(shù),。


氧化釔陶瓷


在半導體工業(yè)中,,多種陶瓷材料已經(jīng)成為晶圓加工設備的耐等離子體刻蝕材料。其中,,氧化釔(Y2O3)屬于立方晶系,,其熔點為2430℃,電絕緣性良好,透光性好,。許多研究表明,,Y2O3陶瓷涂層的耐等離子刻蝕性能要優(yōu)于Al2O3涂層。


氧化釔噴涂刻蝕腔體及模組件


目前,,氧化釔陶瓷在刻蝕機中主要應用場景為腔體與窗視鏡,。在腔體中,除了做成整個腔體,,考慮到價格因素,,往往會在其它陶瓷基體上噴涂Y2O3涂層來達到目的;刻蝕機上的窗視鏡材料中,,Y2O3透明陶瓷在含氟等離子體中表現(xiàn)出非常好的耐腐蝕性能得到了極大的關注,。


一臺半導體設備看似是用金屬及塑料打造的,其實里面隱藏著非常多極具技術含量的精密陶瓷部件,。實際上,,半導體設備對精密陶瓷依賴極高,擁有千億美元市場的半導體設備市場離不開先進陶瓷材料的支撐,。


參考來源:

譚毅成:耐等離子體刻蝕釔基復合陶瓷的制備及其性能研究

劉海林等:光刻機用精密碳化硅陶瓷部件制備技術

霍艷麗:中國建材總院重要科技成果展示一-集成電路制造關鍵裝備用高精密碳化硅陶瓷部件研制技術

人民網(wǎng)·中國共產(chǎn)黨新聞網(wǎng),、中國電子報、路透社,、中國粉體網(wǎng)


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青)

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作者:空青

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